任务二 电控发动机系统的功能及组成
学习目标
1.电控发动机系统的功能
2.电控发动机系统的组成
3.电控发动机的诊断原理
课程准备
知识准备：汽有发动机的4个工作循环
四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、作功和排气等四个过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。因此，活塞行程可分别用四个过程命名。
1.进气行程
活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。
2.压缩行程
进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。
3.作功行程
压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时，进、排气门仍旧关闭。
4.排气行程
排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体（或称废气）在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。
一、发动机电控系统的总体说明
1.发动机电控系统优点
虽然不同型式的电控发动机具有不同的特点，但由于都具有以下的优点，因此在汽车工业中都得到了广泛应用。
1）提高了发动机的输出功率和转矩。电控汽油喷射系统对进气系统进行了较大的改进设计，减小了进气阻力，提高了充气效率，进一步提高了燃烧效率，使发动机的输出功率和转矩得以提高。
2）降低了汽油消耗。发动机电控系统具有各种各样的精确修正功能和高精度的空燃比控制性能，能提供各种工况下最适当的空燃比，且汽油是以一定压力下喷射的，其混合气雾化好，各缸供油均匀，汽油利用率提高，降低了汽油消耗。
3）减少了排放污染。发动机电控系统采用了闭环控制空燃比，燃烧效率提高，燃烧完全，又采用了废气再循环和三元催化转化等措施，进一步降低了发动机排放污染。
4）改善了使用性能。以发动机电子控制单元（ECU）为控制中心的电子控制系统，使车辆在加、减速和低温起动的过渡过程中，空燃比响应速度快，反应灵敏，发动机的使用性能得到提高。
2.对发动机电控系统的要求
1）必须满足防污染排放法规。
2）必须满足客户易于操作的要求。
3）必须是最少的保养和具有最高的可靠性。
4）必须具有平顺的驾驶性能。
5）必须有尽可能好的燃油经济性。
6）必须有尽可能高的动力性。
7）必须有尽可能的安静。
3.发动机电控系统的诊断功能
根据各个国家不同法律体系的要求，发动机控制单元（ECU）还配有随车诊断装置。为满足这些法规的要求，该系统可以监测和报告可能引起排放超标的任何故障。采用发动机控制系统的目的是使发动机的工作性能在发动机的整个工作和使用寿命范围内都保持最佳水平。发动机控制单元可提供包括燃油、点火时间、怠速控制和排放控制在内的随车诊断功能。如果发生故障，发动机控制单元将保存相关的故障码。
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1.请说出发动机电控系统的优点？
2.请查询发动机电控系统的发展历史。
二、发动机电控系统的组成
发动机电控系统由传感器、电控单元、执行器三个部分组成，如图1-1-6所示。它是采用传感器监测发动机有关系统的工作状况，并将相关信息传给电控单元，电控单元经过分析、运算、判断后，发送指令给执行机构，从而使相关系统的工作状况达到最佳。
1.传感器的功能
传感器是汽车电控系统系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等转化成电信号传输给计算机，以便使发动机处于最佳工作状态。输入信号通过导线束和连接插头传输给控制单元。
输入发动机电控制单元（ECU）的信号一般有两种：一种是模拟信号；另一种是数字信号。
空气质量、蓄电池电压、进气管压力和增压压力、冷却液温度和进气温度都是模拟输入信号。这些信号通过模拟-数字（A-D，模-数）转换器转换为数字信号。
开关（接通/断开）信号和霍尔传感器的转速脉冲是数字输入信号。这些信号具有内部计算型式，即1（高）和0（低）这两种状态都可以由计算机直接处理。
2.发动机电控单元的功能
发动机电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）是发动机电子控制系统的核心。它由微处理器（CPU）、存储器[包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）]、输入/输出（I/O）接口、模-数（A-D）转换器以及整形、驱动等大规模集成电路组成。电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，使驱动执行元件工作。电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路等组成。其外观及内部组成如图1-1-7及图1-1-8所示。
图1-1-6 发动机电控系统组成
图1-1-7 发动机ECU外观
图1-1-8 发动机ECU内部组成
发动机ECU由输入电路、微处理器和输出电路等三部分组成。
输入电路接受传感器和其他装置输入的信号，对信号进行过滤处理和放大，然后转换成一定电压的输入电平。从传感器送到ECU输入电路的信号既有模拟信号，也有数字信号，输入电路中的模-数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，然后传递给微机。
微处理器将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理数据送至输出电路。
输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号，使其驱动被控的调节伺服元件工作。
CPU是ECU核心部分，它具有运算与控制的功能，发动机在运转时，采集各传感器的信号进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。它还实行对存储器（ROM、RAM）、输入/输出（I/O）接口和其他外部电路的控制。
只读存储器（ROM）中存放的是经过精确计算和大量实验取得的数据，这些固有程序在发动机工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。利用比较和计算的结果控制发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数。
正常情况下，RAM也会不停地记录行驶中的数据，成为ECU的学习程序，为适应驾驶习惯提供最佳的控制状态，这个程序也叫自适应程序。但由于是存储于RAM中，就像错误码一样，一旦去掉蓄电池而失去供电，所有的数据就会丢失。
目前在一些中高级轿车上，不但在发动机上应用ECU，在其他许多地方都可发现ECU的踪影。例如防抱死制动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电控座椅等都配置有各自的ECU。为了简化电路和降低成本，汽车上多个ECU之间的信息传递就要采用一种称为多路复用通信网络技术，将整车的ECU形成一个网络系统。
3.执行器的功能
执行器是ECU动作命令的执行者，主要是各类机械式继电器、直流电动机、步进电动机、电磁阀或控制阀等执行发动机电子控制单元指令的部件。
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1.请说出发动机电控系统的组成？
2.请说出发动机ECU的组成以及各部分功能？
三、发动机电控系统的相关概念
1.空燃比
空气的英文是Air，燃油的英文是Fuel，可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比，表示为A/F。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。
2.理论空燃比
理论空燃比即燃料完全燃烧所需要的最少空气质量和燃料质量之比。汽油的理论空燃比大约为14.7，也就是说，燃烧1kg汽油需要14.7kg的空气。
一般常说的汽油发动机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。混合气略微过浓时，即空燃比为13.5～14时，汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时，油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比介于12～13之间时，发动机功率最大。
3.过量空气系数
过量空气系数用符号λ表示，它是表示混合气浓度的另一个概念。
λ=实际空气供给量/理论空气需求量
（1）λ=1。实际空气量与理论空气需求量相当，也就是理想情况下λ=14.7∶1的理论燃油空气混合气（也称为空气与燃油的理想配比）。
（2）λ＜1。空气量不足时形成浓混合气。进气管喷射式汽油发动机在λ=0.95～0.85时可以达到其最大功率。
（3）λ＞1。空气量过多时形成稀混合气。λ＞1时耗油量最低，同时功率降低。
（4）λ＞1.2。混合气不易点燃。出现燃烧断火现象，发动机运转不平稳，耗油量增加，功率下降。λ=0.9～1.1时可以同时实现最佳功率和理想的耗油量。
4.发动机工况
发动机工况是发动机工作情况的简称，其主要参数是负荷和转速。汽车在行驶过程中的载荷、车速、路况等经常变化，因此汽车发动机工作时有以下特点：工况变化范围大，负荷可从0变到100%，转速可从最低稳定转速变化到最高转速；在汽车行驶的大部分时间内，发动机在中等负荷（部分负荷）下工作。轿车发动机负荷经常是40%～60%，而货车发动机负荷则为70%～80%。
发动机常见的工况有冷起动、暖机、怠速、部分负荷、加速、大负荷、加速等工况。在不同的发动机工况下，必须对混合气浓度采取修正措施。
（1）冷起动。冷起动时，空气燃油混合气由于不良的涡流、蒸发量少、低温时燃油附着在气缸壁上等原因而较稀，为了消除这些不利因素并便于发动机起动，必须多供给燃油。
（2）暖机。起动后在低温阶段内还需要短时多提供燃油，以便抵消混合不充分和冷凝的影响。暖机运行阶段仍有燃油冷凝到冷态气缸壁上，因此发动机需要加浓混合气。
（3）怠速。达到运行温度后就会为发动机提供理想配比的混合气。
（4）部分负荷。在部分负荷范围内，要遵循低有害物质排放和低燃油耗量的原则。这两个目标通过理想配比的混合气实现。
（5）满负荷。发动机输出其最大转矩或最大功率。与部分负荷时相比，则必须降低空燃比。空燃比降低取决于转速。
（6）加速。突然打开节气门时，混合气短时变稀，此时会出现加速停顿。因此加速时必须额外加浓混合气，以确保平稳过渡。
5.尾气成分（见图1-1-9）
（1）一氧化碳（CO）。空气不足（混合气浓）时一氧化碳的含量增加，λ=1且混合气稀时其含量很小。一氧化碳无色无味。它的毒性很大，在浓度大于0.3体积百分比时可致人死亡。
（2）碳氢化合物（HC）。HC排放产生于空气不足（λ＜1）和空气过量（λ＞1.2）时。λ=1.1～1.2时HC排放量最少。碳氢化合物能产生典型的尾气臭味，并可致癌。
（3）氮氧化物（NOx）。氮氧化物与过量空气系数λ的关系正好和碳氢化合物排放相反。空气不足时，氮氧化物增大至最大值。λ=1.05～1.1时，则降到稀薄范围内。
氮氧化物是无色气体，会强烈刺激呼吸道，并在浓度较高时导致麻痹现象。此外，它也是形成臭氧的原因之一。燃烧室温度和压力较高时会产生氮氧化物。
（4）有害物质。燃油空气混合气完全燃烧时仅产生水蒸气和二氧化碳。不完全燃烧时，就会产生由氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、水（H2O）和有害物质。有害物质约占1%～2%，有害物质包括CH、NOx、CO等。汽油发动机尾气排放各气体含量如图1-1-9所示。
图1-1-9 汽油发动机尾气排放示意图
6.闭环控制
闭环控制是控制论的一个基本概念，是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。输出端回馈到输入端，并参与对输出端再控制，这才是闭环控制的目的，这种目的是通过反馈来实现的。闭环控制在各种控制实例中有具体的表现方式，比如上面举的汽车发动机燃烧控制。
举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较，并不断地用手进行调节形成一个反馈闭环控制。
7.开环控制
如果系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。
举例：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响；投篮——篮球出手后就无法再继续对其控制，无论球进与否，球出手的一瞬间控制活动即结束。
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1）请说出发动机过量空气系数对发动机性能的影响？
2）请说出在发动机电控系统中开环和闭环控制的例子。
四、发动机电控系统的自诊断功能
当发动机电控系统出现故障时，发动机ECU将会点亮仪表板上的发动机故障报警灯，（见图1-1-10），提醒驾驶员注意，发动机已出现故障，并将故障信息以故障代码的形式储存到ECU中，通过一定程序，能将故障码及有关信息资料调出，供检修时使用。
1.自诊断系统工作原理
发动机电控系统工作时，自诊断系统把检测到的非正常输入输出信号认定为故障信号，自诊断系统故障主要有以下几种。
图1-1-10 仪表盘上的发动机故障报警灯
1）当某一电路出现超出规定范围的信号时，故障诊断系统就判定该电路信号出现故障。
如水温传感器正常时，其输出电压信号在0.1～4.8V范围内变化。若冷却水温度传感器输出电压低于0.1V（相当于水温高于139℃）或高于4.8V（相当于水温低于-50℃）时，ECU即判定为故障信号，存入存储器。
2）发动机运转时，当ECU在一段时间里收不到某一传感器的输入信号或输入信号在一段时间内不发生变化，ECU亦判定为故障信号。
如发动机在正常工作温度下运转时，ECU在1min以上检测不到氧传感器的输出信号或氧传感器信号在0.3～0.6V间1min以上没有变化，即判定为氧传感器电路有故障。
3）发动机正常工作中，如果偶然出现一次不正常信号，ECU故障自诊断系统不会判断为故障。只有当不正常信号持续一定时间或多次出现时，ECU才将其判定为故障，如发动机转速在1000r/min时，转速信号丢失了3～4脉冲信号，ECU不会判定为转速信号故障，同时，“CHECK”灯也不会点亮，转速信号的故障也不会存入ECU内。
注意
ECU判断出的故障，只能提供故障的性质和范围，如水温传感器与ECU间配线断路时，水温传感器输出电压信号就会高于4.8V（正常为0.1～4.8V）。这时ECU判定和输出的故障信息为水温传感器发生故障。最后确定是传感器、执行器或相应配线的哪一个故障，还应进一步检查确定。
2.故障信息的显示方式
ECU故障自诊断系统检测到故障信号经判断为故障后，即将故障信息以故障码的形式存储到ECU存储器中。通过一定操作程序将故障码或故障资料按特定的方式显示出来。不同车型故障信息的显示方式也不同。常见的有以下几种：
1）由故障警告灯闪烁故障码。
当发动机工作正常无故障时，接通点火开关至“ON”位置，“CHECK”灯点亮。发动机起动后转速高于一定转速时此灯应熄灭。否则为有故障发生，用专用跨接线跨接诊断座或通过其他操作可将故障码以“CHECK”灯的一定闪烁方式显示出来。故障排除后，“CHECK”灯在发动机转速高于一定转速时熄灭。
2）用专用或通用检测仪直接读取故障码或故障信息。
3）由仪表盘上显示屏直接显示故障码、信息资料及数据。
3.诊断仪器的功能介绍
各厂商都针对自己的车型开发了专用的诊断仪，同时市场上也有能够诊断许多车型的通用诊断仪。这两类诊断仪的工作原理基本相同。就是诊断仪器通过专用的诊断接口按特定的协议访问车载控制单元，来读取控制单元内存储的故障信息。诊断仪还可以进行软件升级，以便能够增加诊断的车型数据和诊断的功能。下面以大众VAS505X诊断仪为例介绍专用诊断仪的功能。
VAS505X是大众集团专用工具的一个型号，其中的X是产品的序列号，它是在大众车系原有的VAG1551和VAG1552诊断仪的基础上发展过来的。现在该系列检测仪共有VAS5051、VAS5051B、VAS5052和VAS5053四种产品。诊断仪的全称是“Vehiclediag-nostic measuring and information system（车辆诊断、测量和信息系统）”。从仪器的名称上我们就可以看出，该诊断仪具有车辆的诊断、测量和信息查询功能。
借助对最基础的VAS5051B诊断仪进行介绍，来说明该系列诊断仪的功能和在维修过程中的作用。VAS5051B的外观如图1-1-11所示，初始屏幕如图1-1-12所示，从这两幅图中我们可以看到该诊断仪具有自诊断、测量、故障引导和功能引导四大功能。
图1-1-11 VAS5051B外观图
图1-1-12 VAS5051B主界面图
（1）自诊断功能
诊断功能是对车辆单独的控制单元进行检测，比如对发动机、变速箱、防抱死制动系统（ABS）和仪表等控制单元进行检测。这些控制单元具有独立的地址码，VAS5051B可以单独和这些控制单元进行通信，完成控制单元故障记忆的查询、故障记忆的清除等功能。在诊断项目下，主要有以下功能（见图1-1-13）。
02项目是“查询故障”功能，该项功能可以直接查询到控制单元内存储的故障记忆。
03项目是“最终控制诊断”功能，该功能是检测仪主动激活控制单元所控制的执行元件进行动作，通过人为地观察执行元件的工作情况来判断执行元件的状况。
04项目是“基础设定”功能，该功能完成控制单元和执行元件之间基础的电位设定。比如，发动机控制单元的基础设定是完成节气门和控制单元之间的电位匹配，空调系统的基础设定是完成空调电机和控制单元之间的电位匹配，大灯控制单元的基础设定是完成大灯照程电机和控制单元之间的电位匹配等。
05项目是“清除故障存储器”功能，该功能的执行是清除掉控制单元内部储存的故障记忆。
图1-1-13 VAS的诊断项目
06项目是“结束输出”功能，该功能是退出自诊断。
07项目是“编码控制单元”功能，通过对控制单元的编码，可以改变和实现控制单元不同的功能。比如，通过对奥迪A6轿车中央门锁系统控制单元的编码的改变，可以分别实现“安全锁”、“行车自锁”和“锁车警报”等功能，这就使得控制单元的功能得到提升，并且在使用上更富人性化。另外，车辆上装备的每一个控制单元都有一个编码，编码的数字包括了车型的选择、发动机和变速器类型的选择以及使用地区的选择等，这就使得相同零件编号的控制单元可以通过编码的改变去适应不同的车型，使控制单元的零件具有通用性。
08项目是“读取测量值”功能，该项功能十分有用，通过对控制单元各个数据块的静态和动态的分析，准确、快速地查找到故障原因。
09项目是“读单个测量数据块”功能，是供厂商使用的，在维修中没有用到。
10项目是“匹配”功能。通过该功能，加上不同的匹配通道和数据，可以修改控制单元内部的一些参数，从而改变控制单元的一些使用特点。比如，通过仪表的匹配可以改变仪表的语言，修改保养里程的显示，进行燃油消耗曲线的匹配等。
11项目是“登录程序”功能，就是要完成一些重要的设置。首先输入一个特定的登录码，然后控制单元才允许向下进行匹配。比如，发动机控制单元定速巡航功能的开启和关闭功能的匹配等。
了解了该诊断仪自诊断的强大功能，在实际的工作中就需要借助于诊断仪进行综合分析，以检查和排除故障。
（2）测量功能
该项功能包括万用表的使用功能，即诊断仪可以测量电压、电阻和电流。另外，还可以测量传感器的波形。在实际的维修工作中，诊断仪在对控制单元进行检测的同时，还需要对线路和传感器进行测试。该诊断仪的这项功能可以兼并。
（3）故障引导功能
该项功能的实现需要诊断仪内部储存的大量车型数据来支持。由于现代车型的更新变化很快，对维修人员要掌握的车辆技术和车型信息的要求就越来越高。把这些新的车型信息存储在诊断仪中，当维修人员需要某项信息时，可以马上调出来，并且诊断仪可以根据故障记忆的描述，结合自己强大的数据库，帮助维修人员查找故障。当然，诊断仪储存的车辆信息，要根据厂商车型的变化定期进行升级更新。
当执行该功能时，选择要检测的车型，检测仪就调出该车型的信息，并且把该车型上的所有的控制单元检测一遍。检测完后，根据检测到的故障记忆，检测仪可以指导进行下一步的维修工作，帮助查找故障原因。
（4）功能引导
随着车辆控制单元的增多，每个控制单元下面都有很多的功能匹配和信息说明。这个功能项目的作用是维修人员主动地对某个控制单元进行操作，通过这种操作来完成对控制单元的匹配和故障查找等工作。
课程互动
1）请说出诊断仪的功能。
2）当发动机故障报警灯亮起时说明什么问题？